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２００８年６月农业机械学报第３９卷第６期车辆动力学集成控制综述喻凡李道飞【摘要】首先对车辆动力学集成控制的发展和研究进行了全面回顾，然后对集成控制系统的协调策略进行了总结。为进一步提高车辆主动安全性的潜力，未来研究的重点仍将是对转向和制动／驱动的集成控制，其中一个典型的研究问题是在考虑轮胎和车辆非线性以及执行器限制条件的基础上，将车辆稳定控制力／力矩最优地分配到每个车轮／轮胎上。显然，随着未来线控驾驶以及新型可控系统的广泛应用，车辆动力学控制的集成化必然成为发展趋势。关键词：车辆动力学集成控制主动转向电子稳定控制主动悬架综述中图分类号：犝４６１１文献标识码：犃犚犲狏犻犲狑狅狀犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犞犲犺犻犮犾犲犇狔狀犪犿犻犮狊犆狅狀狋狉狅犾犢狌犉犪狀犔犻犇犪狅犳犲犻（犛犺犪狀犵犺犪犻犑犻犪狅犜狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻２００２４０，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋犅狔犮狅狅狉犱犻狀犪狋犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮犺犪狊狊犻狊犮狅狀狋狉狅犾狊狌犫狊狔狊狋犲犿狊，犻狀狋犲犵狉犪狋犲犱狏犲犺犻犮犾犲犱狔狀犪犿犻犮狊犮狅狀狋狉狅犾（犐犞犇犆）犮犪狀犪狏狅犻犱狊狔狊狋犲犿犻狀狋犲狉犳犲狉犲狀犮犲狊犪狀犱狋犺狌狊犻犿狆狉狅狏犲狅狏犲狉犪犾犾狏犲犺犻犮犾犲犱狔狀犪犿犻犮狊狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲．犉犻狉狊狋，狋犺犲狉狅犪犱犿犪狆犪狀犱犿犲狋犺狅犱狅犾狅犵犻犲狊狅犳犐犞犇犆狑犲狉犲狉犲狏犻犲狑犲犱，犪狀犱狋犺犲狀狋犺犲犮狅狀狋狉狅犾狊狋狉犪狋犲犵犻犲狊狅犳犮狅狅狉犱犻狀犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀狋犺犲狊狌犫狊狔狊狋犲犿狊狑犲狉犲狊狌犿犿犪狉犻狕犲犱．犜狅犳狌狉狋犺犲狉犻犿狆狉狅狏犲狏犲犺犻犮犾犲犪犮狋犻狏犲狊犪犳犲狋狔，狋犺犲犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀狊狋犲犲狉犻狀犵犪狀犱犫狉犪犽犻狀犵／狋狉犪犮狋犻狅狀狑犻犾犾狊狋犻犾犾犫犲犿狅狊狋犮狅狀犮犲狉狀犲犱犻狀犳狌狋狌狉犲犐犞犇犆狊狋狌犱狔．犃狋狔狆犻犮犪犾狇狌犲狊狋犻狅狀犮犪狀犫犲狋犺犪狋，犫犪狊犲犱狅狀狋犺犲犮狅狀狊犻犱犲狉犪狋犻狅狀狅犳狆狉犪犮狋犻犮犪犾犪犮狋狌犪狋狅狉犾犻犿犻狋狊犪狀犱狋犺犲狀狅狀犾犻狀犲犪狉犻狋狔犫狅狋犺犻狀狋犻狉犲犪狀犱狏犲犺犻犮犾犲，犺狅狑狋狅狅狆狋犻犿犪犾犾狔犪狊狊犻犵狀狋犺犲狉犲狇狌犻狉犲犱狊狋犪犫犻犾犻狕犻狀犵犳狅狉犮犲／犿狅犿犲狀狋狋狅犲犪犮犺狑犺犲犲犾／狋犻狉犲．犘犪狉狋犻犮狌犾犪狉犾狔，狅狀犮犲犡犫狔狑犻狉犲狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔犪狀犱狀狅狏犲犾犪犮狋犻狏犲犮狅狀狋狉狅犾狊狔狊狋犲犿狊犪狉犲狑犻犱犲犾狔狌狊犲犱，犿狅狉犲狆狅狋犲狀狋犻犪犾犫犲狀犲犳犻狋狊狅犳犐犞犇犆犮犪狀犫犲犲狓狆犲犮狋犲犱．犓犲狔狑狅狉犱狊犞犲犺犻犮犾犲犱狔狀犪犿犻犮狊，犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犮犺犪狊狊犻狊犮狅狀狋狉狅犾，犃犮狋犻狏犲狊狋犲犲狉犻狀犵，犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊狋犪犫犻犾犻狋狔犮狅狀狋狉狅犾，犃犮狋犻狏犲狊狌狊狆犲狀狊犻狅狀，犚犲狏犻犲狑收稿日期：２００８０３１９国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０５７５１４１）喻凡上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室教授博士生导师，２００２４０上海市李道飞上海交通大学汽车工程研究院博士生引言为帮助驾驶员应付复杂多变的行驶工况，提高车辆的行驶安全性和舒适性，自２０世纪７０年代末始，车辆上相继出现了各种动力学控制系统，如犃犅犛、４犠犛、犈犛犘以及半主动／主动悬架等。通常，这些控制系统分别由不同的零部件生产商单独开发，但当多个控制系统同时应用时，由于车辆动力学的内在耦合特性，就可能出现诸多问题。因此，自２０世纪８０年代中期至今，企业界和学术界从理论和应用方面对车辆动力学集成控制问题进行了大量的研究。为更深入地研究动力学集成控制，本文从背景、发展历程、控制结构以及集成策略等方面对现有文献进行总结和回顾。１动力学集成控制的背景当多个动力学控制系统同时存在时，主要出现如下两方面的问题：首先，硬件和软件的设计将变得十分复杂，传感器和线束等控制系统零部件的质量和布置空间呈指数增加。其次，由于某些系统间存在功能重叠，另外一些系统间则可能存在目标和控制动作上的冲突，若不对存在耦合或重叠的２个系统加以协调，系统间的相互干扰将可能导致车辆总体性能不如使用单个系统、甚至不如完全的被动系统。例如，主动转向和犈犛犘都能改善侧向动力学性能，两者显然存在功能重叠；另如，犃犅犛和犈犛犘的控制均是通过车轮滑移率的调节来实现，只不过犃犅犛控制目标是将车轮滑移率始终保持在对应峰值附近，而犈犛犘则要求根据车辆制动时的不足转向或过度转向程度适当的选择制动轮及其相应大小的制动力。因此，车辆动力学集成控制要解决的２个关键问题是：①避免子系统间的互相冲突和干扰。②通过系统间的通讯和动作协调，尽量挖掘各子系统功能潜力从而实现最优性能。实际的车用电控系统涵盖了更广的范畴，它还包括车身电子（甚至导航）系统，但本文只重点讨论车辆动力学集成控制（犻狀狋犲犵狉犪狋犲犱狏犲犺犻犮犾犲犱狔狀犪犿犻犮狊犮狅狀狋狉狅犾，简称犐犞犇犆），在有些文献中也被称为“底盘集成控制”。虽然目前对于犐犞犇犆系统的定义尚不是十分明确（尽管近年来发表的文献不少），但其显著特征是，区别于为某子系统单独设计一个控制器的单独控制，犐犞犇犆则需要对２个或２个以上的动力学子系统进行综合的控制。犐犞犇犆不是多个子系统间简单、松散的组合或叠加，而是需要在硬件或软件上对控制目标、控制动作等各方面进行有机地协调。图１动力学集成控制的潜力犉犻犵．１犘狅狋犲狀狋犻犪犾犫犲狀犲犳犻狋狊狏犻犪狊狔狊狋犲犿犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀除了车辆动力学集成控制所能提供的某些功能（如减少传感器和执行器数目、结构更紧凑简单、重量更轻等），最重要的是它可以更深入地挖掘并提升车辆的综合性能。图１直观地体现了动力学集成控制在车辆三维动力学综合性能上的潜在优势。通过多个子系统的集成控制，消除各子系统干涉，利用它们的功能互补，综合性能将优于子系统的联合控制，即图１中的球径将得到最大化，而系统的各方面性能也得到一定程度的改善。２动力学集成控制系统的发展自２０世纪８０年代中期到９０年代中期是车辆集成控制的萌芽和初步阶段。日本汽车生产商首先对车辆集成控制进行尝试性的研究，１９８５年犖犻狊狊犪狀在东京车展展出的概念车犃犚犆犡中，各子系统通过犆犘犝间的通讯而协作完成一些功能［１］。１９８７年，犜狅狔狅狋犪推出的概念车犉犡犞犐犐中对主动空气悬架、４犠犛、发动机、变速器和犃犅犛进行了集成控制［２］。１９９１年，犜狅狔狅狋犪在其犛狅狉犪狉犲狉车型上，对主动油气悬架、主动４犠犛、犃犅犛以及犜犆犛进行了协调控制［３～４］。１９９２年犃犞犈犆会议上，德国学者犠犪犾犾犲狀狋狅狑犻狕对车辆集成控制的可行性和方法进行了总结和展望，指出车辆控制系统的集成应该包括３个方面，即硬件集成、功能集成和研发集成［５］。自犈犛犘技术开始应用至今的十余年间是车辆集成控制的迅猛发展阶段。尤其进入２１世纪后，车辆动力学集成控制无论在理论研究还是实际系统开发方面都得到了较大的发展。２００２年，犌犕的犆犪犱犻犾犾犪犮犛犲狏犻犾犾犲中采用了犇犲犾狆犺犻的底盘一体化控制系统，该系统对基于制动的稳定性系统和连续可调阻尼减振器进行了集成，在常规工况下具有较好的舒适性，而在危急工况下能够牺牲舒适性而改善操稳性能。犆狅狀狋犻狀犲狀狋犪犾开始了第二代犈犛犘的研究，在差动制动和发动机干预的基础上加入前轮主动转向系统，通过对３个子系统的协调控制，来实现底盘的全局控制［６～７］。２００６年，犜狅狔狅狋犪在其犔犲狓狌狊４６０上采用了综合安全理念，硬件上将多个犈犆犝整合成４个犈犆犝功能群（即动力传动控制、安全控制、车身控制以及多媒体控制）；软件上则运用了车辆动力学集成管理系统对犃犅犛、驱动控制、主动制动干预以及转向系统进行统一管理。近年来，底盘集成控制逐渐地扩展到对整车的集成控制，甚至包含了对人车路大闭环系统集成控制。扩展的集成控制可涵盖的车辆子系统有：驾驶辅助系统（如巡航控制）、主动安全（如犈犛犆）和被动安全系统（如安全气囊）。关于这一趋势，全球各大汽车零部件供应商，如犇犲犾狆犺犻、犅狅狊犮犺、犆狅狀狋犻狀犲狀狋犪犾和犜犚犠等都正在研发将主动与被动安全系统进行整合的所谓“集成安全技术”。３集成控制结构３１分散式结构按照整体设计策略的不同，现有的集成控制相２农业机械学报２００８年关文献可大致分为自下而上（犫狅狋狋狅犿狌狆）和自上而下（狋狅狆犱狅狑狀）两大类。其中，向上设计时一般只能采用如图２所示集成程度较低的分散式结构；而向下设计时，则可采用集中式结构。对于更复杂的系统集成，目前的研究一般采用分层监督结构来处理多个子系统的协调和分配问题。图２分散式控制结构犉犻犵．２犇犲犮犲狀狋狉犪犾犻狕犲犱犮狅狀狋狉狅犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲采用分散式结构时（图２），每个子系统在一定程度上依旧独立，但是必要时可通过车载网络来彼此合作完成某一功能。这种方法所能达到的系统集成程度非常有限，主要是在传感器及相关硬件方面进行集成，且集成工作主要由犗犈犕来完成，而零部件供应商只需对其子系统提供必要的接口。犌狅狉犱狅狀在文献［８］中，认为这种结构完全不适合集成控制，但作者认为，尽管采用这种结构不能体现真正意义上的“有机集成”（或许只能算多系统的“联合控制”），但通过对各子系统控制器的重新设计（如考虑到其他子系统的信息），在一定程度上也可达到集成的效果。实际中，早期的集成控制研究大都属于这种结构，例如三菱和犜狅狔狅狋犪公司的早期研究［３，９］。此外，由于悬架系统主要目标是舒适性控制，相比于制动和转向系统，悬架对操稳性的影响相对“间接”一些，故这种控制结构也较适合悬架和其他系统的“集成”控制。３２集中式结构采用集中式控制结构时（图３），由一个全局控制器给出所有子系统的控制输入。不同于分散式结构，集中式结构控制器必需由犗犈犕和各供应商协作开发。由于控制系统开发的策略是自上而下的，对整个系统的考虑一般开始就比较全面而充分，因此集中控制的性能可能最好，集成的程度也最高。但是，当整个系统涉及范围广且较复杂时，开发难度会显著增加；由于单个犈犆犝承担的运算量较大，这种结构对犈犆犝硬件的要求较高；而且，所开发的控制系统可能会牺牲本身的灵活性，一旦有新的子系统或执行器加入时，需要对整个系统重新设计。或许目前集中式结构并不适合车辆动力学集成控制，但是，该结构仍比较适合对联系紧密、耦合严重的两个子系统（例如转向和制动）的集成。在控制器的设计难度方面，若采用如文献［１０］中的多变量控制方法固然难度较大，但若采用如文献［１１～１２］中分步分环的方式将轮胎解耦，则可大幅度降低设计难度，同时又可以直接考虑轮胎的饱和非线性。图３集中式控制结构犉犻犵．３犉狌犾犾狔犮犲狀狋狉犪犾犻狕犲犱犮狅狀狋狉狅犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲３３分层监督结构考虑到软硬件方面的综合优势，目前较好的结构方案是介于分散式和集成式结构之间的一种所谓“分层监督”结构，如图４所示。采用这种结构时，各供应商仍将负责其子系统的控制设计，而由犗犈犕来负责“集成”的核心和关键内容，也就是所谓的车辆动力学协调控制器（或称上层控制器）。协调控制器的功能可以体现在如下２个方面：①根据当前行驶状况求出车辆稳定所需的控制力或力矩（例如主动稳定横摆力矩犕狕犪），然后将其分配到各个子系统的目标状态值（如每一车轮滑移率或轮胎侧偏角），最后供执行层控制器跟踪调节。②给出某子系统多个控制策略间的切换指令（如悬架控制中的抓地性策略或舒适性策略）。４系统的协调和集成策略多个执行系统的动作分配和协调是系统集成控制策略的关键，本文重点从纵向与侧向控制系统集成及悬架系统的集成两个方面来进行回顾。４１纵向和侧向系统集成制动／驱动和转向是车辆纵向、侧向动力学控制的主要系统，其中对犃犅犛、犈犛犘以及犃犉犛／４犠犛等子系统间的集成最先得到研究者关注，目前仍是车辆集成控制研究的重点和热点。现有的纵向和侧向控制系统在控制